Digitalisierte Turbinenauslegung - Erweiterung der Simulationsfähigkeit in der Turbinenauslegung; Teilprojekt 1.1: Erweiterung der 360-Rechenfähigkeit von TRACE

Abstract

Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, effizientere numerische Methoden für zeitabhängige Vollkranzsimulationen von Mehrkomponenten-Turbomaschinenkonfigurationen auf der Grundlage der kompressiblen URANS-Gleichungen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden sowohl neue Analyse- als auch Berechnungsmethoden implementiert, verifiziert und validiert. Für die Online-Analyse und Konvergenzkontrolle instationärer Simulationen wurden "Almost-Periodic-Fourier-Transforms" (APFTs) implementiert, um die effiziente Berechnung von Fourier-Moden in Konfigurationen zu ermöglichen, in denen die dominanten Lösungsfrequenzen entweder keine gemeinsame Grundfrequenz aufweisen oder in denen die gemeinsame Grundfrequenz im Vergleich zu den tatsächlich relevanten Frequenzen niedrig ist. Darüber hinaus wurde das APFT-Modul erfolgreich in zeitgenaue, nichtreflektierende Randbedingungen integriert, die im Frequenzbereich formuliert sind. In Kombination mit einem geeigneten Algorithmus zur Erkennung der dominanten Frequenzen ermöglicht dies nun die Anwendung der Randbedingungen auf Probleme, bei denen die dominanten Frequenzen nicht a priori bekannt sind. Zudem lassen sich die Randbedingungen nun effizient auf Probleme anwenden, bei denen die dominanten Frequenzen keine gemeinsame Grundfrequenz aufweisen. Parallel zur Einführung der APFTs wurden die sogenannte zonale Randbedingung und das parallele Framework, in dem sie implementiert ist, neu gestaltet und implementiert, um den Rechenaufwand dieser komplexen Randbedingung zu reduzieren. Durch die Neugestaltung des Kommunikationsmusters, die Implementierung eines effizienteren Suchbaums (R-Baum) und die direkte Kommunikation mehrerer Lösungsschichten konnte die Rechenzeit des zentralen Zonalalgorithmus um fast den Faktor drei reduziert werden. In realistischen Anwendungen verringert dies die Auswirkungen des Zonalalgorithmus erheblich. Die parallele Effizienz des Algorithmus wurde bei geringer Prozessanzahl verbessert. The main aim of this project was to develop more efficient numerical methods for time-dependent full-wheel simulations of multi-component turbomachinery configurations based on the compressible URANS equations. To achieve this, both new analysis and computational methods have been implemented, verified and validated. For the online analysis and convergence control of unsteady simulations Almost-Periodic-Fourier-Transforms (APFTs) have been implemented to allow the efficient computation of Fourier modes in configurations in which the dominant solution frequencies either do not have a common base frequency, or in which the common base frequency is low in comparison to the frequencies of real interest. Furthermore, the APFT module has been successfully integrated into time-accurate, nonreflecting boundary conditions formulated in the frequency-domain. In combination with an appropriate algorithm to detect the dominant frequencies this now allows the boundary conditions to be applied to problems in which the dominant frequencies are not known a priori. In addition, the boundary conditions can now be efficiently applied to problems in which the dominate frequencies do not share a common base frequency. Alongside the introduction of APFTs, the so-called zonal boundary condition and the parallel framework within which it is implemented have been redesigned and newly implemented to reduce the computational overhead of this complex boundary condition. By redesigning the communication pattern, implementing a more efficient search tree (R-Tree) and through the direct communication of multiple solution layers, the computational time of the core zonal algorithm has been reduced by a factor of almost three. In realistic applications this reduces the impact of the zonal algorithm significantly. The parallel efficiency of the algorithm was improved at low process counts.